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Crystallization of Phase Change Materials under Space Conditions

Julia Enderli

Titel

Crystallization of Phase Change Materials under Space Conditions

Autor/in

Datierung

05.01.2026

Beschreibung

Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials, PCMs) ermöglichen aufgrund ihrer hohen Energie-dichte und nahezu isothermen Wärmeaufnahme und -abgabe eine effiziente thermische Pufferung und sind daher besonders für masse- und leistungsbeschränkte thermische Managementsysteme in der Raumfahrt ge-eignet. Die Kristallisation anorganischer Salzhydrat-PCMs wird unter terrestrischen Schwerkraftbedingun-gen stark durch auftriebsgetriebene Konvektion und Sedimentation beeinflusst, was Phasensegregation, Hohlraumbildung und eine reduzierte Zyklen Stabilität begünstigt. Diese Bachelorarbeit liefert experimen-telle Grundlagen für ein zukünftiges Sounding-Rocket-Experiment der European Space Agency (MASER-Plattform) zur kontrollierten PCM-Erstarrung unter mikrogravitationsrelevanten Randbedingungen.
Ein strukturierter Entscheidungsprozess verglich Natriumacetat-Trihydrat (SAT) und Calciumchlorid-Hexa-hydrat (CCH) sowie kühlleistungsdominierte und unterkühlungsdominierte Betriebsstrategien. Aufgrund si-cherer Handhabung, überwiegend kongruenten Schmelzens und eines ausgeprägten, extern auslösbaren un-terkühlten Zustands wurde SAT ausgewählt, während CCH wegen Hygroskopizität, Korrosivität, inkongru-entem Schmelzen und geringerer Regelbarkeit ausgeschlossen wurde. Die experimentellen Untersuchungen konzentrierten sich auf Hydratstabilität, mechanische Robustheit und thermisches Verhalten von SAT. Der Wassergehalt wurde mittels Karl-Fischer-Titration und Halogen-Feuchteanalyse bestimmt, wobei eine deut-liche methodenabhängige Abweichung festgestellt wurde; die Karl-Fischer-Methode wurde als Referenz fest-gelegt.
Die mechanische Stabilität von geschmolzenem SAT wurde mittels analytischer Zentrifugation (LumiSizer) untersucht und zeigte auch unter erhöhten Zentrifugalbelastungen keine Anzeichen makroskopischer Kris-tallisation. Thermische Zyklierungsexperimente mit einem EasyMax-Reaktor und Heat-Flow-Kalorimetrie zeigten, dass tiefe Abkühlung Unterkühlung auslöst, eine vollständige Kristallisation jedoch allein durch Temperaturführung innerhalb kurzer Zykluszeiten nicht zuverlässig erreicht wird. Dies unterstreicht die Not-wendigkeit aktiver Auslösemechanismen und/oder verlängerter Tieftemperatur-Haltezeiten.
Insgesamt bestätigen die Ergebnisse die Eignung eines unterkühlungsbasierten experimentellen Ansatzes mit SAT und liefern zentrale Randbedingungen für das Payload-Design, darunter die Verifikation des Wasserge-halts, die Robustheit gegenüber startrelevanten mechanischen Belastungen sowie die Integration kontrollier-ter Nukleationsmechanismen zur Sicherstellung der Kristallisation während der Mikrogravitationsphase.

Phase change materials (PCMs) offer high energy density thermal buffering with near-isothermal heat ab-sorption and release, making them attractive for mass- and power-constrained thermal management in space systems. However, crystallization of inorganic salt hydrate PCMs under terrestrial gravity is strongly affected by buoyancy-driven convection and sedimentation, which can promote phase segregation, void formation, and reduced cycling reliability. This Bachelor thesis provides experimental groundwork for a future European Space Agency sounding-rocket (MASER) experiment by characterizing key risks and design inputs for con-trolled PCM solidification under microgravity-relevant constraints.
A structured decision process compared sodium acetate trihydrate (SAT) and calcium chloride hexahydrate (CCH) and evaluated cooling-power-driven versus supercooling-dominated operation. SAT was selected due to safer handling, predominantly congruent melting, and a pronounced, externally triggerable supercooled state, whereas CCH was excluded because of corrosivity, hygroscopicity, incongruent melting tendencies, and lower controllability. Laboratory testing focused on SAT hydration stability, mechanical robustness, and thermal response. Water content was measured using Karl Fischer titration and a halogen moisture analyzer, revealing a substantial method-dependent discrepancy; Karl Fischer titration was adopted as the reference and samples were adjusted to the standard water content. Mechanical stability of molten SAT was assessed via analytical centrifugation (LumiSizer), showing stable behavior under stepwise increased centrifugal load-ing without signatures of macroscopic crystallization. Thermal cycling experiments using an EasyMax reac-tor with heat-flow calorimetry demonstrated that deep cooling to sub-zero temperatures induces supercooling signatures, but temperature control alone did not reliably produce complete crystallization within short cycle durations, indicating the need for an active triggering mechanism and/or extended low-temperature dwell times.
Overall, the results support a supercooling-based experimental strategy with SAT and provide concrete boundary conditions for payload design, including mandatory hydration verification, robustness against launch-relevant mechanical loading, and the requirement for controlled nucleation to ensure crystallization during the microgravity window.

Urheberrechtshinweis